胶体量子点敏化TiO2网络结构光电极的可控制备及光伏性能改进

The surface area and electron transport rate of photoanode are the two critical parameters for sensitized solar cells. In this project, the TiO2 1D nanorods/ 3D nanotubes network structure with large surface area and high electron transport rate are synthesized by secondly hydrothermal treatments, such TiO2 photoanode were sensitized by ZnTe/CdSe colloidal quantum dot with core-shell microstructure. the photovoltaic performance of quantum dots can be facile adjusted by its surface ligand. In addition, the large conduction band offset between ZnTe and CdSe can increase the open circuit voltage of solar cells, and the core-shell microstructure will provide large interface for exciton separation. CdSe doped by transition metal ion are beneficial for exciton dissociation through enhance the build-in electric field. In this project, we will study how the fabricated condition of TiO2 photoanode, the thickness of CdSe shell, the size of ZnTe nanoparticle, the kind of surface ligand on colloidal quantum dots, the type of transition metal doped and the amount of doping effect on the power conversion efficient of cells. The relation of prepared condition and photovoltaic parameters of solar cells is builded. This topic is significantly important for the exploring of high conversion efficiency, low-cost QSSCs and understanding their internal charge transport mechanisms perfectly.

光阳极的比表面积和电子传输速率是影响敏化太阳能电池效率的两个重要因素，本项目通过简单易行的二次水热法获得比表面积大和电子传输速率高的1D nanorods 1D/3D nanotubes网络结构，以过渡金属掺杂的ZnTe/CdSe核壳结构胶体量子点敏化该种结构的TiO2光阳极。拟通过量子点上的化学配体调控胶体量子点的光伏性能，ZnTe与CdSe之间大的价带之差提高电池开路电压，以及过渡金属掺杂来加大内建电场，获得更大的电子空穴对分离率。本项目将研究光阳极制备工艺、CdSe壳层厚度、ZnTe的颗粒尺寸、胶体量子点上包裹的化学配体种类、掺杂离子种类、掺杂离子浓度对电池效率的影响，建立制备工艺参数与各个太阳能电池性能指标的内在联系，并解析其影响机制。开展本项目研究对于开发高效率、低成本的量子点敏化太阳能电池、深入理解其内部电荷传输机制具有重要的科学意义。

离子对半导体材料的电学以及光学性能有较大影响，特别是对电子的传导具有静电调制耦合作用，因此离子的存在对太阳能电池的光伏性能会产生一定的影响，本项目把Li离子引入到Co3O4中，深入研究了Li离子对半导体的光电性能的影响，Li离子的引入能调制其禁带宽度，抑制光生电荷的复合，使组装成的全氧化物太阳能电池获得比较满意的开路电压。. 另一方面电子的传输，也必然会对离子的传导产生影响，电子和离子同时迁移，相互碰撞，能量相互转移。最近研究表明在离子导体中引入半导体，通过电子对离子的耦合作用，可以使该种半导体-离子导体复合材料在中低温下取得高离子电导率，但其增强机制具有颇多争议。本项目以LSCF-SCDC半导体-离子导体复合材料为研究对象，通过高性能透射电子显微镜，配合EELS，观测两相材料界面处的电子和离子分布，研究离子传导增强机制。另外利用Pt片作为阻塞电极，阻塞氧离子，利用Hebb-Wagner极化法获得半导体离子复合材料中电子电导率，再结合EIS结果，分离电子和离子对电导率的贡献。研究表明，在两相材料界面处，有氧元素的聚集，使颗粒内氧空位增多，氧离子传导增强。并结合半导体能带理论，利用LSCF-SCDC为离子传输层组装成肖特基燃料电池，获得较高的电池性能输出和不错的稳定性。另外研究发现NCAL-NSDC，LCPN-SDC等半导体-离子导体复合材料也可以成功应用于肖特基燃料电池。该类半导体-离子导体复合材料在低温下具有高的离子电导体，对降低SOFC操作温度，推进SOFC商业化具有重要意义